CN206432854U - 一种轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种轮毂电机，定子单元、转子单元和位置检测单元；其中，定子单元包括定子主轴和定子电枢绕组；定子主轴的内部中空以形成定子主轴空腔；定子电枢绕组与定子主轴固定安装在一起；转子单元包括转子子单元和转子磁钢；转子子单元与定子主轴可相对旋转地连接在一起；转子磁钢与定子电枢绕组径向气隙相隔分布，且受定子电枢绕组通电产生的旋转电磁场作用而转动；位置检测单元包括磁感应磁钢和与其位置相对的磁感应编码器，磁感应磁钢固定安装在转子单元上，磁感应编码器安装在定子主轴空腔的端面上，且磁感应磁钢与磁感应编码器之间具有间隔。本实用新型简化了轮毂电机的机械结构，使得电机动态响应快，可靠性高，维护方便。

Description

一种轮毂电机

技术领域

本实用新型涉及一种电机，特别是涉及一种具备磁编位置反馈、以及参数存储的轮毂电机。

背景技术

当前交流电机已成为应用最广泛的动力装置。但是因机械安装空间、精度等条件限制，在各种实际应用中须配套相应的传动和制动装置，如齿轮组、皮带轮等构件，不仅体积和重量大，而且机械震动或磨损导致可靠性低，寿命短，需要经常维护。而轮毂电机，即车轮内装电机，最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电力传动的机械部分大大简化，在新能源汽车、平衡车、电动自行车、移动机器人甚至火星车成为主流动力装置。除此以外，轮毂电机还有功率密度和能量传输效率高，输出力矩大，动态响应快，控制精度高，工作不受油和粉尘等污染物影响，可靠性高，故障率低，维护方便等优点。

轮毂电机的成熟应用离不开先进的驱动控制技术的推动，其控制的方式有很多中，通用的方式有：六步方波控制技术、正弦控制、矢量定向控制和直接转矩控制。不管是哪种方式，要想精确的进行速度和位置控制，都需要实时检测电机转动的速度和角度位置。现有主流的位置检测技术是采用安装在电机上的光电编码器或霍尔传感器来获取电机转动的速度和位置信息。但光电编码器成本较高，容易损坏，且对环境要求较高，易受油渍和粉尘的影响。在上电启动时，电机初始位置(Z相零点信号)是未知的，需要转动一周才能找到零点初始位置，即使有先进的算法，在获取零点位置时电机还是会有抖动，在数控机床、精密装置等场合不适用。对于批量出厂的精密伺服电机，初始位置校零需要有专门的设备，调试安装门槛较高。磁感应编码器弥补了光电编码器的缺陷，不仅精度高，体积小，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠性高、结构更简单和成本低等优点。

目前，结构简单、精度高、体积小、成本低的磁编码器与精简机械结构的高效轮毂电机组合配置成动力传动装置，成本低、体积小、响应快，非常适合应用在电动车和移动机器人上。如：

专利CN 202135031 U的“用于伺服控制系统的磁编码器”，其通过一块磁编码芯片和三块霍尔芯片来获取电机转动的速度和位置信息，但是，三块霍尔芯片须在电枢绕组的硅钢片上的特定位置(通常电角度120°)开槽，还须单独供电和信号电路走线，结构过于复杂，且可靠性较低；

专利CN 204316267 U的“伺服电机磁编码器”，使用感应装置获取电机转动的速度和位置信息，但是该感应装置是由接收感应磁铁磁信号的感应芯片及处理感应芯片传输信号的可编程序控制器组成，这样不仅增加了编码器硬件成本，还须对可编程序控制器进行编程开发，增加了测试成本和批量生产成本。

专利CN 201690337 U的“磁编码器一体化伺服电机”，将电机本体、磁编码器和驱动器一体化组装来实现对电机转动的速度和位置信息的获取。但是这种方式灵活性欠缺，用户不能根据需要灵活适配高性能、低价格的电机和驱动器，且一个部件损坏，这个伺服电机就不能使用了，不易维护。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种轮毂电机，用于解决现有技术中具备磁编码器的轮毂电机结构过于复杂、可靠性低、成本较高且不易维护的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种轮毂电机，包括：定子单元、转子单元和位置检测单元；其中，所述定子单元包括定子主轴和定子电枢绕组；所述定子主轴的内部中空以形成定子主轴空腔；所述定子电枢绕组与所述定子主轴固定安装在一起；所述转子单元包括转子子单元和转子磁钢；所述转子子单元与所述定子主轴可相对旋转地连接在一起；所述转子磁钢与所述定子电枢绕组径向气隙相隔分布，且受所述定子电枢绕组通电产生的旋转电磁场作用而转动；所述位置检测单元包括磁感应磁钢和与其位置相对的磁感应编码器，所述磁感应磁钢固定安装在所述转子单元上，所述磁感应编码器安装在所述定子主轴空腔的端面上，且所述磁感应磁钢与所述磁感应编码器之间具有间隔。

于本实用新型的一实施例中，所述定子电枢绕组固定于所述定子主轴的外表面；所述转子磁钢位于所述定子电枢绕组的外部，且固定安装在所述转子子单元的内表面；所述转子子单元通过所述转子磁钢被所述定子电枢绕组产生的旋转磁场带动旋转；所述磁感应磁钢固定安装在所述转子子单元上。

于本实用新型的一实施例中，所述定子电枢绕组固定于所述定子主轴的内表面；所述转子单元还包括齿轮组，所述转子磁钢位于所述定子电枢绕组的内部，且通过所述齿轮组与所述转子子单元固定连接；所述转子子单元通过所述转子磁钢和所述齿轮组被所述定子电枢绕组产生的旋转磁场带动旋转；所述磁感应磁钢固定安装在所述转子单元的旋转轴上。

于本实用新型的一实施例中，所述轮毂电机还包括与所述磁感应编码器电连接的存储单元，所述存储单元固定于所述定子主轴空腔的端面上，用于保存所述轮毂电机的固有参数和转子初始位置信息。

于本实用新型的一实施例中，所述轮毂电机还包括位于所述定子主轴空腔内的线缆单元，所述线缆单元用于为动力线和信号线的排布提供通道。

于本实用新型的一实施例中，所述定子电枢绕组通过三相交流电或多相交流电驱动产生旋转磁场。

于本实用新型的一实施例中，所述磁感应磁钢是设置于非导磁的套体中，所述磁感应磁钢通过所述套体固定于所述转子单元上。

于本实用新型的一实施例中，所述磁感应编码器通过感应所述磁感应磁钢的磁场来检测转子的绝对位置，并以数字方式输出、模拟方式输出或正交编码波形输出。

于本实用新型的一实施例中，所述磁感应编码器通过SPI接口、IIC总线或一根PWM信号线输出。

于本实用新型的一实施例中，所述轮毂电机还包括减震单元，所述减震单元包括固定贴合在所述转子子单元外表面的实心轮胎或充气轮胎。

如上所述，本实用新型的一种轮毂电机，具有以下有益效果：将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，机械结构大大简化，并且，这种直驱型轮毂电机功率密度和能量传输效率高，输出力矩大，动态响应快，控制精度高，工作不受油和粉尘等污染物影响，可靠性高，故障率低，维护方便。

附图说明

图1显示为本实用新型实施例公开的一种轮毂电机的剖面示意图。

图2显示为本实用新型实施例公开的一种轮毂电机的位置检测单元的结构示意图。

图3显示为本实用新型另一实施例公开的一种轮毂电机的剖面示意图

元件标号说明

110 定子主轴

111 定子主轴空腔

120 定子电枢绕组

210 转子子单元

220 转子磁钢

230 齿轮组

310 磁感应磁钢

311 非导磁材料的套体

320 磁感应编码器

400 线缆单元

500 存储单元

600 减震单元

700 轴承

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本实用新型提供一种具备磁编位置反馈、以及参数存储的轮毂电机，其通过在轮毂电机在上合理设置磁感应磁钢和磁感应编码器，从而通过磁感应编码器实时获取转子的位置信息。并且，在本实用新型中，还增加了存储单元，用于保存轮毂电机在出厂时设置的电机固有参数，如额定电压、额定转矩等等，并且，存储单元亦可保存在线自学获得的固定参数，如交直轴电感、转动惯量等等。通过增加存储单元，更加便于驱动器直接读取，不必在适配新的驱动器时再做复杂的学习算法。

实施例1

本实施例公开了一种轮毂电机，如图1所示，包括：定子单元、转子单元、位置检测单元和存储单元500。

其中，定子单元包括定子主轴110和定子电枢绕组120。定子主轴110的内部是中空的，形成了定子主轴空腔111。在定子主轴空腔111内可以排布轮毂电机与外界进行交互的信号线以及动力线。并且，在本实施例中，在定子主轴空腔111内还设置了线缆单元400，为信号线和动力线的排布提供了专门的通道。其中，动力线是用于为轮毂电机提供动力源(即交流电)；信号线是用于实现轮毂电机内部的位置检测单元和存储单元500与外界设备之间的数据交互。

定子电枢绕组120是固定安装在定子主轴110的外表面上。且定子电枢绕组120还与动力线相连，使得定子电枢绕组120根据交流电压产生旋转的磁场。

转子单元包括转子子单元210和转子磁钢220。其中，转子子单元210位于整个定子单元的外部，且通过轴承700与定子主轴110可旋转地连接在一起；转子磁钢220安装在转子子单元210的内表面，位置与定子电枢绕组120相对应，且转子磁钢220与定子电枢绕组120径向气隙间隔分布；其中，所谓的径向为轮毂电机的径向，即与轮毂电机的旋转轴相垂直的方向。

电机驱动器输出交流电压，使得定子电枢绕组120产生旋转的磁场，该磁场与转子磁钢 220所产生的磁场发生相互作用产生了切向电磁牵引力，从而拖动转子子单元210和转子磁钢220同步旋转。由于本实施例的轮毂电机采用的是转子磁钢，且能够实现定子单元和转子单元的同步旋转，因此本实施例的轮毂电机为永磁同步电机。

位置检测单元设置于定子主轴空腔111内，包括磁感应磁钢310和磁感应编码器320。磁感应磁钢310固定安装在转子子单元210上的，磁感应编码器320安装在与之相对的定子主轴空腔111的端面卡槽(未在附图中予以标识)上。并且，磁感应编码器320和磁感应磁钢310之间具有一定的间隔，如图2所示，d表示磁感应编码器320和磁感应磁钢310之间的间隔。如此，当转子子单元210发生旋转时，固定于转子子单元210上的磁感应磁钢310 也会同步发生旋转，对应地，磁感应磁钢310所产生的定磁场也随之发生旋转。旋转磁场随旋转角度变化而发生正余弦交变，与磁感应磁钢310的位置相对的磁感应编码器320会感应到磁感应磁钢310所产生的交变磁场，由霍尔效应产生电信号，经过处理后生成角度信息、正交编码信息和霍尔信息，并通过信号线传输至电机驱动器，从而实现位置信息的反馈。本实施例为了更加准确地获取转子单元的位置信息，将磁感应磁钢310和磁感应编码器320设置在整个轮毂电机的旋转中心位置处。

进一步地，本实施例中的磁感应磁钢310采用永磁材料，例如NdFeB制成，且其形状一般为圆柱体或长方体。并且，如图2所示，磁感应磁钢310的外部还设置有非导磁材料的套体311，避免磁感应磁钢310产生的磁场受到套体311的影响，从而导致磁感应编码器320 感应计算获得的转子的位置信息发生误差。本实施例中，非导磁材料包括但不限于：铝、陶瓷、塑料或树脂材料等等。

在本实施例中，磁感应编码器320通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口) 接口、IIC(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)总线或一根PWM信号线输出转子的位置信息。并且，磁感应编码器320分别可以以数字方式、模拟方式或正交编码波形输出转子的位置信息。当然，本实用新型的磁感应编码器320对于转子位置信息的输出协议和输出方式并不仅限于上述情况，只要磁感应编码器320能够根据交变磁场获取转子的位置信息，并进一步传输至电机驱动器均在本实用新型的保护范围内。

本实施例的轮毂电机还包括存储单元500，其固定安装在定子主轴空腔111的端面卡槽内。存储单元500用于保存轮毂电机的固有参数和初始位置信息。其中，轮毂电机的固有参数包括但不限于：额定电压、额定功率、额定电流、电阻、电感、转动惯量等等。初始位置信息表示转子的起始位置信息。优选地，如图2所示，本实施例将存储单元500与磁感应编码器320组成一个电路板，一起安装在定子主轴空腔111的端面卡槽内，以便于整个轮毂电机的走线。

需要说明的是，传统的轮毂电机在出厂时并不会对电机的固有参数进行标识。用户在使用过程中，需要对轮毂电机进行一个自适应学习使用的过程，从而获取相应的固有参数，从而实现轮毂电机的正常使用。如此势必给用户的使用带来一定不便。因此，本实施例的轮毂电机在出厂之前，会对轮毂电机的固有参数进行自学习测试，并将这些数据保存至存储单元 500中，从而有效提高用户即插即用的体验。

为了保证轮毂电机的正常使用，在转子子单元210的外表面还固定贴合有减震单元600，减震单元600包括但不限于胎皮或充气轮胎。

此外，为了突出本实用新型的创新部分，本实施例中并没有将与解决本实用新型所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的单元。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例2

本实施例公开了一种轮毂电机，其大部分结构与实施例1相似，只是组装有所差异。如图3所示，本实施例的轮毂电机包括：定子单元、转子单元、位置检测单元和存储单元500。

其中，定子单元包括定子主轴110和定子电枢绕组120。定子主轴110的内部是中空的，形成了定子主轴空腔111。在定子主轴空腔111内可以排布轮毂电机与外界进行交互的信号线以及动力线。并且，在本实施例中，在定子主轴空腔111内还设置了线缆单元400，为信号线和动力线的排布提供了专门的通道。其中，动力线是用于为轮毂电机提供动力源(即交流电)；信号线是用于实现轮毂电机内部的位置检测单元和存储单元500与外界设备之间的数据交互。

定子电枢绕组120是固定安装在定子主轴110的内表面上。且定子电枢绕组120还与动力线相连，使得定子电枢绕组120根据交流电压产生旋转的磁场。

转子单元包括转子子单元210、转子磁钢220和齿轮组230。其中，转子子单元210位于整个定子单元的外部，且通过轴承700与定子主轴110可旋转地连接在一起。

齿轮组230与转子子单元210的内表面固定连接。在本实施例中，齿轮组230采用行星齿轮组。

转子磁钢220位于定子电枢绕组120的内部，位置与定子电枢绕组120相对应，且转子磁钢220与定子电枢绕组120径向气隙间隔分布，且其通过齿轮组230与转子子单元210固定安装在一起。

电机驱动器输出交流电压，使得定子电枢绕组120产生旋转的磁场，该磁场与转子磁钢 220所产生的磁场发生相互作用产生了切向电磁牵引力，从而拖动齿轮组230、转子子单元 210和转子磁钢220同步旋转。由于本实施例的轮毂电机采用的是转子磁钢，且能够实现定子单元和转子单元的同步旋转，因此本实施例的轮毂电机为永磁同步电机。

位置检测单元包括磁感应磁钢310和磁感应编码器320。如图3所示，，磁感应编码器 320安装在定子主轴空腔111的端面卡槽上，磁感应磁钢310固定安装与之对应的转子单元的旋转轴上。并且，磁感应磁钢310和磁感应编码器320之间具有一定的间隔。如图2所示，d表示磁感应磁钢310和磁感应编码器320之间的间隔。如此，当转子单元发生旋转时，固定于转子单元上的磁感应磁钢310也会同步发生旋转，对应地，磁感应磁钢310所产生的定磁场也随之发生旋转。旋转磁场随旋转角度变化而发生正余弦交变，与磁感应磁钢310的位置相对的磁感应编码器320会感应到磁感应磁钢310所产生的交变磁场，由霍尔效应产生电信号，经过处理后生成角度信息、正交编码信息和霍尔信息，并通过信号线传输至电机驱动器，从而实现位置信息的反馈。本实施例为了更加准确地获取转子单元的位置信息，将磁感应磁钢310和磁感应编码器320设置在整个轮毂电机的中心位置处。

此外，对于位置检测单元、存储单元500和减震单元600的结构和设置与实施例1相同，在此不再赘述。

综上所述，本实用新型一种轮毂电机，将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，机械结构大大简化，并且，这种直驱型轮毂电机功率密度和能量传输效率高，输出力矩大，动态响应快，控制精度高，工作不受油和粉尘等污染物影响，可靠性高，故障率低，维护方便。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种轮毂电机，其特征在于，包括：定子单元、转子单元和位置检测单元；其中，

所述定子单元包括定子主轴和定子电枢绕组；所述定子主轴的内部中空以形成定子主轴空腔；所述定子电枢绕组与所述定子主轴固定安装在一起；

所述转子单元包括转子子单元和转子磁钢；所述转子子单元与所述定子主轴可相对旋转地连接在一起；所述转子磁钢与所述定子电枢绕组径向气隙相隔分布，且受所述定子电枢绕组通电产生的旋转电磁场作用而转动；

所述位置检测单元包括磁感应磁钢和与其位置相对的磁感应编码器，所述磁感应磁钢固定安装在所述转子单元上，所述磁感应编码器安装在所述定子主轴空腔的端面上，且所述磁感应磁钢与所述磁感应编码器之间具有间隔。

2.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：

所述定子电枢绕组固定于所述定子主轴的外表面；

所述转子磁钢位于所述定子电枢绕组的外部，且固定安装在所述转子子单元的内表面；所述转子子单元通过所述转子磁钢被所述定子电枢绕组产生的旋转磁场带动旋转；

所述磁感应磁钢固定安装在所述转子子单元上。

3.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：

所述定子电枢绕组固定于所述定子主轴的内表面；

所述转子单元还包括齿轮组，所述转子磁钢位于所述定子电枢绕组的内部，且通过所述齿轮组与所述转子子单元固定连接；所述转子子单元通过所述转子磁钢和所述齿轮组被所述定子电枢绕组产生的旋转磁场带动旋转；

所述磁感应磁钢固定安装在所述转子单元的旋转轴上。

4.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述轮毂电机还包括与所述磁感应编码器电连接的存储单元，所述存储单元固定于所述定子主轴空腔的端面上，用于保存所述轮毂电机的固有参数和转子初始位置信息。

5.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述轮毂电机还包括位于所述定子主轴空腔内的线缆单元，所述线缆单元用于为动力线和信号线的排布提供通道。

6.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述定子电枢绕组通过三相交流电或多相交流电驱动产生旋转磁场。

7.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述磁感应磁钢是设置于非导磁的套体中，所述磁感应磁钢通过所述套体固定于所述转子单元上。

8.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述磁感应编码器通过感应所述磁感应磁钢的磁场来检测转子的绝对位置，并以数字方式输出、模拟方式输出或正交编码波形输出。

9.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述磁感应编码器通过SPI接口、IIC总线或一根PWM信号线输出。

10.根据权利要求1所述的轮毂电机，其特征在于：所述轮毂电机还包括减震单元，所述减震单元包括固定贴合在所述转子子单元外表面的实心轮胎或充气轮胎。